O carvão ativado é um material carbonáceo e poroso, que foi submetido a um processamento para aumentar sua porosidade interna. Quase todos os materiais que possuem um alto teor de carbono podem ser ativados. Os precursores comumente utilizados são cascas de coco, arroz e de nozes, carvões minerais (antracito, betuminoso, linhito), madeiras, turfas, resíduos de petróleo, ossos de animais, caroços de pêssego, damasco, amêndoa e azeitona, grãos de café, entre outros (FRANCISCHETTI, 2010).
A princípio, qualquer material com alto teor de carbono, denominado de agente precursor (A.P) pode ser transformado em C.A, por exemplo, cascas de coco, carvões minerais (antracita, betuminosos, linhito), turfas, madeiras, resíduos de petróleos. Atualmente são utilizados como agentes precursores, os caroços e cascas de oliva, cereja, damasco, pêssego, azeitonas e ossos de animais. Em torno de 1/3 da produção mundial de C.A. é de origem vegetal, sendo esta proporção muito maior nos Estados Unidos da América e na Europa (CLAUDINO, 2003).
No Brasil, predominantemente, empregam-se madeira, carvão betuminoso e sub- betuminoso, osso e casca de coco. Uma vez preparada a granulometria desejada, a produção envolve, basicamente, a carbonização e ativação (ou oxidação) para desenvolvimento dos
vazios internos. A carbonização ou pirólise é usualmente feita na ausência de ar, em temperaturas compreendidas entre 500 - 800oC, enquanto a ativação é realizada com gases oxidantes em temperaturas de 800 a 900oC (DI BERNARDO, 2005).
Um carvão eficaz deve ter grande área superficial, com os tamanhos apropriados dos poros para prender as espécies desejadas e cargas de superfície opostas àquelas dos adsorvatos.
O mais difundido processo de preparação do carvão ativado usado no tratamento de água é a ativação térmica. O material bruto é carbonizado para obter o carvão com o qual o vapor irá reagir para aumentar o volume de poros. A estrutura dos poros pode variar de acordo com a quantidade de vapor e com a temperatura necessária para produzir o carvão com uma dada porosidade (SILVA, 2005). No processo de ativação química são utilizados reagentes ativantes com propriedades ácidas, tais como ZnCl
2, H3PO4, HCl e H2SO4 além de reagentes básicos como KOH e NaOH. Dentre esses agentes ativantes, o ZnCl
2 (cloreto de zinco) é o reagente mais extensivamente utilizado na preparação de carvão ativado. (PEREIRA et al, 2008).
O carvão ativado está disponível em duas diferentes formas: pó e granular. Para o uso do carvão em pó (CAP) é necessário preparar adequadamente uma suspensão, que é adicionada, geralmente, na água bruta ou pré-oxidada, enquanto no uso do carvão ativado granular (CAG), têm-se colunas (filtros), após a filtração em ETAs (Estação de Tratamento de Afluentes) que tratam água superficial. O CAG é caracterizado por pequenos poros e grande superfície interna, enquanto o CAP está associado a grandes poros e menor superfície interna (DI BERNARDO, 2005). O tamanho das partículas também tem seu efeito na capacidade de adsorção do carvão, partículas menores de carvão ativado granular demonstraram ser mais eficientes (JÁGUARIBE et al., 2005).
A identificação das características físicas e químicas dos carvões ativados e indispensável, uma vez que as propriedades de cada adsorvente influenciam na eficiência de adsorção de determinados contaminantes seja orgânico ou inorgânico
6.1 ADSORÇÃO EM CARVÃO ATIVADO
A adsorção é um fenômeno que depende da área superficial e do volume dos poros. A estrutura dos poros limita as dimensões das moléculas que podem ser adsorvidas enquanto a área superficial disponível limita a quantidade de material que pode ser adsorvida (ALVES,
2005). O processo contrário à adsorção, em que as moléculas são removidas da superfície do adsorvente, é chamado de dessorção (MASEL, 1996).
A adsorção é uma das técnicas mais efetivas no tratamento de águas e efluentes, na purificação e desidratação de gases e como meios de fracionamento de fluidos que são difíceis de separar por outros meios de separação. Uma vez que o adsorvato concentra-se na superfície do adsorvente, quanto maior for esta superfície, maior será a eficiência da adsorção. Por isso geralmente os adsorventes são sólidos com partículas porosas (BORBA, 2006).
O fenômeno de adsorção ocorre porque átomos da superfície têm uma posição incomum em relação aos átomos do interior do sólido. Os átomos da superfície apresentam uma força resultante na direção normal à superfície, para dentro, a qual deve ser balanceada. A tendência a neutralizar essa força gera uma energia superficial, atraindo e mantendo na superfície do adsorvente as moléculas de gases ou de substâncias de uma solução com que estejam em contato (CIOLA, 1981; BARROS, 2001; VASQUES, 2008). Durante o processo, as moléculas encontradas na fase fluida são atraídas para a zona interfacial devido à existência de forças atrativas (CAMARGO et al., 2005), tais como:
Ligações de Hidrogênio Interações Dipolo-Dipolo Forças de van der Waals
A migração dos componentes de uma fase para outra tem como principio a diferença de concentração entre o seio do fluido e a superfície do adsorvente.
O tempo que a molécula do adsorvato fica ligada à superfície do adsorvente depende diretamente da energia com que a molécula é segura, ou seja, é uma relação entre as forças exercidas pela superfície sobre essas moléculas e as forças de campo das outras moléculas vizinhas (HOMEM, 2001).
A adsorção pode ocorrer em uma única camada de moléculas (adsorção unimolecular ou monomolecular), ou também pode ocorrer em diversas camadas (adsorção multimolecular) (CIOLA, 1981). O processo de adsorção é, muitas vezes, reversível, de modo que a modificação da temperatura e/ou pressão, pode provocar a fácil remoção do soluto adsorvido no sólido (FOUST et al, 1982).
Dependendo das forças de ligação entre as moléculas e átomos que estão sendo adsorvidos e o adsorvente, as interações podem ocorrer de duas maneiras na superfície do sólido: não específica ou específica. Outra forma de classificar a adsorção é como física ou
fisissorção e química ou quimissorção. As principais diferenças entre a adsorção física e química são mostradas na Tabela 1.
Fonte: Coutinho et al. 2001.